基于轻量级网络自适应特征提取的番茄病害识别.pdf

江 苏 农 业 学 报 胡 玲 艳 周 婷 刘 艳 等 基 于 轻 量 级 网 络 自 适 应 特 征 提 取 的 番 茄 病 害 识 别 江 苏 农 业 学 报 基 于 轻 量 级 网 络 自 适 应 特 征 提 取 的 番 茄 病 害 识 别 胡 玲 艳 周 婷 刘 艳 许 巍 盖 荣 丽 李 晓 梅 裴 悦 琨 汪 祖 民 大 连 大 学 信 息 工 程 学 院 辽 宁 大 连 收 稿 日 期 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 基 金 项 目 大 连 市 科 技 创 新 基 金 项 目 作 者 简 介 胡 玲 艳 女 河 北 沧 州 人 博 士 副 教 授 主 要 从 事 智 慧 农 业 作 物 动 态 生 长 监 测 研 究 通 讯 作 者 汪 祖 民 摘 要 为 了 实 现 番 茄 病 害 的 精 准 识 别 本 研 究 提 出 一 种 轻 量 级 网 络 自 适 应 特 征 提 取 方 法 该 方 法 首 先 对 图 片 进 行 正 形 处 理 然 后 基 于 模 型 构 建 轻 量 级 网 络 模 型 模 型 包 含 全 局 特 征 提 取 和 关 键 特 征 提 取 个 模 块 其 中 全 局 特 征 提 取 模 块 逐 层 提 取 番 茄 病 害 叶 片 的 全 局 特 征 关 键 特 征 提 取 模 块 通 过 学 习 评 估 出 特 征 图 各 通 道 的 重 要 程 度 计 算 出 权 重 值 最 后 将 该 值 加 权 到 原 特 征 图 上 从 而 实 现 病 害 关 键 特 征 的 自 适 应 提 取 结 果 显 示 正 形 机 制 有 助 于 神 经 网 络 学 习 特 征 本 研 究 构 建 的 模 型 的 平 均 识 别 准 确 率 为 模 型 大 小 仅 为 且 在 强 噪 声 环 境 下 其 识 别 准 确 率 仍 能 保 持 在 以 上 模 型 在 训 练 过 程 中 相 对 稳 定 对 种 番 茄 病 害 的 识 别 准 确 率 均 超 过 相 比 模 型 本 研 究 构 建 的 模 型 的 识 别 精 度 高 稳 定 性 强 且 占 用 内 存 小 对 于 移 动 端 未 来 的 应 用 具 有 较 高 的 实 际 价 值 关 键 词 轻 量 级 网 络 正 形 机 制 特 征 提 取 番 茄 病 害 识 别 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号 番 茄 富 含 维 生 素 和 矿 物 质 兼 具 特 殊 药 理 作 用 被 人 们 广 为 食 用 已 经 被 世 界 粮 农 组 织 列 为 第 六 大 蔬 菜 种 植 过 程 中 的 病 虫 害 严 重 制 约 着 番 茄 的 产 量 和 收 益 一 旦 对 疾 病 判 断 有 误 或 者 诊 断 不 及 时 将 给 农 户 带 来 巨 大 的 经 济 损 失 因 此 快 速 精 准 地 识 别 番 茄 病 害 类 型 及 时 进 行 干 预 有 助 于 农 户 番 茄 种 植 的 提 质 增 效 随 着 计 算 机 技 术 和 人 工 智 能 的 快 速 发 展 利 用 这 些 信 息 技 术 对 植 物 病 害 类 别 进 行 诊 断 识 别 逐 渐 成 为 一 种 新 趋 势 目 前 国 内 外 针 对 番 茄 病 害 识 别 方 面 的 研 究 取 得 了 较 大 进 展 基 于 传 统 的 机 器 学 习 算 法 通 过 手 工 提 取 特 征 和 分 类 器 进 行 分 类 可 以 初 步 满 足 病 害 识 别 的 要 求 但 复 杂 的 特 征 提 取 工 程 极 大 地 影 响 了 工 作 效 率 且 人 工 提 取 的 特 征 是 主 观 的 有 限 的 粗 糙 的 深 度 学 习 浪 潮 的 兴 起 为 上 述 问 题 提 供 了 解 决 办 法 其 中 卷 积 神 经 网 络 具 备 强 大 的 自 学 能 力 能 够 在 最 大 程 度 上 获 取 所 有 与 输 入 输 出 相 关 联 的 信 息 避 免 了 繁 重 的 特 征 提 取 工 作 备 受 研 究 者 们 青 睐 等 和 等 采 用 不 同 的 深 度 卷 积 神 经 网 络 识 别 番 茄 病 害 每 个 模 型 的 预 测 精 度 均 在 以 上 王 艳 玲 等 和 等 将 迁 移 学 习 与 神 经 网 络 模 型 相 结 合 通 过 固 定 低 层 微 调 高 层 的 训 练 策 略 建 立 的 模 型 能 快 速 准 确 识 别 种 番 茄 病 害 等 利 用 网 络 模 型 增 强 数 据 并 分 别 采 用 网 络 模 型 对 番 茄 叶 片 病 害 进 行 识 别 上 述 研 究 均 采 用 经 典 的 深 层 网 络 模 型 随 着 研 究 的 推 进 这 些 模 型 的 层 数 逐 渐 增 多 增 加 网 络 模 型 深 度 可 以 有 效 提 升 准 确 率 但 同 时 需 要 耗 费 巨 大 的 存 储 空 间 和 运 算 时 间 在 识 别 番 茄 叶 片 图 像 的 过 程 中 神 经 网 络 模 型 会 提 取 整 个 图 片 的 信 息 然 而 真 正 需 要 提 取 的 有 用 特 征 仅 存 在 于 目 标 对 象 所 在 的 局 部 区 域 因 此 人 们 从 增 加 网 络 模 型 深 度 转 而 开 始 研 究 如 何 实 现 对 病 害 关 键 特 征 的 提 取 胡 志 伟 等 李 晓 振 等 以 及 等 提 出 将 注 意 力 机 制 与 多 种 深 层 网 络 模 块 相 结 合 的 方 法 利 用 注 意 力 机 制 有 效 抽 取 番 茄 病 害 不 同 层 次 的 特 征 信 息 加 强 关 键 特 征 的 表 达 同 时 抑 制 无 关 特 征 的 表 达 最 终 构 建 的 模 型 均 有 较 高 的 准 确 率 这 种 方 法 通 过 对 目 标 特 征 的 精 准 提 取 实 现 计 算 资 源 的 合 理 分 配 进 而 提 升 模 型 的 识 别 性 能 但 网 络 模 型 巨 型 化 的 问 题 仍 未 得 到 有 效 解 决 因 此 这 些 模 型 难 以 应 用 到 移 动 端 随 着 物 联 网 技 术 在 各 行 各 业 的 广 泛 应 用 移 动 设 备 的 日 趋 普 及 人 们 开 始 研 究 可 以 应 用 在 移 动 端 的 病 害 识 别 算 法 方 晨 晨 等 和 郭 小 清 等 在 深 层 网 络 架 构 的 基 础 上 采 用 多 尺 度 卷 积 核 深 度 可 分 离 卷 积 等 操 作 对 传 统 网 络 模 型 进 行 改 进 缩 小 了 模 型 大 小 实 现 了 准 确 率 和 存 储 空 间 的 平 衡 其 中 改 进 的 模 型 识 别 田 间 番 茄 病 害 的 准 确 率 达 到 等 基 于 现 有 的 轻 量 级 网 络 模 型 构 建 一 种 应 用 程 序 识 别 种 常 见 的 番 茄 叶 部 病 害 等 搭 建 了 个 层 的 简 化 卷 积 神 经 网 络 模 型 在 数 据 库 上 的 测 试 效 果 均 优 于 最 近 邻 算 法 和 深 层 网 络 模 型 上 述 算 法 在 简 化 模 型 大 小 方 面 取 得 了 一 定 进 展 同 时 保 持 着 较 高 的 准 确 率 但 神 经 网 络 模 型 在 缩 小 模 型 以 及 提 高 准 确 率 方 面 仍 有 很 大 的 提 升 空 间 此 外 大 多 数 的 研 究 结 果 来 源 于 理 想 的 图 片 和 环 境 未 考 虑 模 型 在 复 杂 环 境 下 的 性 能 其 鲁 棒 性 难 以 保 证 也 有 部 分 研 究 在 实 际 环 境 下 对 模 型 进 行 检 测 但 准 确 率 较 低 因 此 要 想 在 实 际 生 产 中 使 用 上 述 研 究 还 存 在 一 定 距 离 综 上 所 述 在 近 期 识 别 番 茄 病 害 的 研 究 工 作 中 人 们 考 虑 了 准 确 率 模 型 大 小 以 及 鲁 棒 性 等 特 性 但 没 有 实 现 这 些 性 能 的 综 合 平 衡 本 研 究 拟 采 用 正 形 机 制 对 病 害 图 片 进 行 处 理 结 合 模 块 的 优 点 和 注 意 力 机 制 的 特 性 构 建 轻 量 级 网 络 模 型 识 别 常 见 的 番 茄 病 害 类 别 以 期 实 现 准 确 率 模 型 大 小 识 别 速 度 以 及 鲁 棒 性 的 综 合 平 衡 可 以 更 好 地 在 实 际 环 境 中 指 导 农 业 生 产 材 料 与 方 法 数 据 集 本 研 究 模 型 采 用 的 数 据 集 来 自 大 型 公 开 数 据 库 该 数据 库共 收集 了 张 感染病害 的 番 茄 叶 片 图 片 综 合 考 虑 番 茄 种 植 过 程 中 病 害 的 发 病 率 以 及 研 究 适 用 性 等 因 素 从 数 据 库 中 选 取 感 染 早 疫 病 晚 疫 病 叶 霉 病 花 叶 病 斑 枯 病 细 菌 性 斑 点 病 叶 螨 病 的 叶 片 与 健 康 叶 片 共 种 番 茄 叶 片 作 为 本 次 研 究 的 数 据 集 下 面 对 这 种 番 茄 叶 片 的 纹 理 特 征 图 像 以 及 病 害 特 征 进 行 描 述 早 疫 病 感 病 初 期 叶 片 出 现 水 渍 状 暗 褐 色 病 斑 呈 离 散 状 分 布 扩 大 后 近 圆 形 有 同 心 轮 纹 边 缘 多 具 浅 绿 色 或 黄 色 晕 环 严 重 时 多 个 病 斑 连 成 不 规 则 形 大 斑 导 致 叶 片 枯 萎 当 环 境 潮 湿 时 病 斑 处 还 胡 玲 艳 等 基 于 轻 量 级 网 络 自 适 应 特 征 提 取 的 番 茄 病 害 识 别会 长 出 黑 霉 健 康 番 茄 叶 片 颜 色 质 地 均 匀 为 深 绿 色 或 者 浅 绿 色 无 大 小 病 斑 无 残 缺 无 孔 洞 无 扭 曲 无 枯 萎 无 生 理 性 卷 叶 无 子 叶 上 举 等 异 常 症 状 晚 疫 病 叶 片 发 病 初 期 出 现 暗 绿 色 水 渍 状 不 规 则 病 斑 病 健 交 界 处 不 明 显 扩 大 后 变 为 褐 色 干 燥 时 呈 绿 褐 色 后 变 暗 褐 色 直 至 枯 萎 湿 度 大 时 叶 片 背 面 出 现 白 色 霉 层 多 从 植 株 下 部 叶 尖 或 叶 缘 开 始 发 病 然 后 逐 渐 向 上 部 叶 片 蔓 延 叶 霉 病 叶 片 染 病 后 出 现 椭 圆 形 或 不 规 则 淡 黄 色 病 斑 叶 片 背 面 长 出 灰 褐 色 至 黑 褐 色 的 绒 状 霉 层 条 件 适 宜 时 染 病 叶 片 正 面 也 长 出 霉 层 一 般 中 下 部 叶 片 先 发 病 然 后 逐 渐 向 上 部 叶 片 蔓 延 病 害 严 重 时 病 斑 连 片 叶 片 逐 渐 卷 曲 干 枯 花 叶 病 叶 片 染 病 后 会 出 现 黄 绿 相 间 或 浓 绿 与 淡 绿 相 间 斑 驳 亦 或 是 颜 色 深 浅 分 布 不 均 匀 的 绿 色 病 斑 叶 片 外 形 变 得 细 长 且 小 叶 片 增 厚 且 略 有 皱 缩 扭 曲 斑 枯 病 染 病 后 叶 片 正 面 背 面 均 出 现 圆 形 或 近 圆 形 的 病 斑 呈 现 大 量 凸 起 的 小 黑 点 病 斑 周 围 区 域 泛 黄 叶 片 边 缘 的 发 病 部 位 会 发 生 微 卷 曲 严 重 时 形 成 大 的 枯 斑 病 部 组 织 坏 死 穿 孔 导 致 叶 片 干 枯 脱 落 细 菌 性 斑 点 病 染 病 后 叶 片 出 现 大 量 褐 色 病 斑 呈 聚 集 状 态 病 斑 周 围 的 过 渡 区 呈 现 黄 褐 色 发 病 后 期 病 斑 枯 萎 形 成 孔 洞 叶 螨 病 叶 螨 即 红 蜘 蛛 受 损 害 的 叶 片 部 位 会 由 于 水 分 缺 失 而 变 为 白 色 叶 片 表 面 呈 现 大 量 白 色 病 斑 叶 片 卷 曲 图 片 的 正 形 处 理 数 据 库 中 每 张 番 茄 图 像 只 有 一 张 叶 片 每 张 叶 片 只 患 一 种 疾 病 图 像 背 景 简 单 但 叶 片 在 图 像 中 的 位 置 不 固 定 且 叶 片 的 朝 向 是 任 意 的 为 了 使 叶 片 朝 向 统 一 本 研 究 提 出 了 正 形 机 制 该 机 制 旨 在 将 所 有 叶 片 的 方 向 统 一 为 叶 尖 朝 上 叶 柄 朝 下 使 得 叶 片尽 可 能处 于 图片的 正 中位 置 保 证 叶片与 图片中 线 的 偏 离 角 度 范 围 为 通 过 正 形 机 制 对 图 像 进 行 处 理 有 利 于 卷 积 神 经 网 络 提 取 到 更 多 更 细 致 的 病 害 特 征 进 而 提 高 神 经 网 络 模 型 的 学 习 效 率 增 强 稳 定 性 其 工 作 流 程 如 图 所 示 具 体 步 骤 为 第 一 获 取 病 害 图 片 第 二 对 图 片 进 行 灰 度 化 处 理 第 三 利用高 斯 滤 波 降 低 图 片 噪 声 第 四 利 用 多 级 边 缘 检 测 算 法 边 缘 检 测 算 子 提 取 叶 片 的 边 缘 特 征 第 五 绘 制 最 小 外 接 多 边 形 获 得 图 片 旋 转 角 度 第 六 利 用 旋 转 角 度 对 图 片 进 行 仿 射 校 正 图 正 形 机 制 处 理 图 片 的 流 程 本 研 究 选 取 张 图像 筛 除 朝 向 正 确的 图 片 剩 下 需 要 进 行 正 形 机 制 处 理 的 图 像 共 有 张 图 为 部 分 叶 片 经 过 正 形 处 理 后 的 结 果 此 外 数 据 集 中 各类 图 像数 量 分布的 不 均衡 往往 会 对模型 训练产 生 极 大 影 响 甚 至 产 生 过 拟 合 的 现 象 为 了 缓 解 图 片 数 量 不 均 衡 的问 题 以 种 番 茄 叶 片 样 本 的 平 均 值 为 基 江 苏 农 业 学 报 年 第 卷 第 期准 采 用 随 机 复 制 的 方 式 对 数 据 量 较 少 的 早 疫 病 叶 霉 病 和 花 叶 病 进 行 数 据扩 充 最 终 得 到 的 图 像 样本共 张 数 据 集 具 体 信 息 如 表 所 示 图 图 像 正 形 处 理 结 果 表 番 茄 数 据 集 分 布 病 害 类 别 图 像 数 量 张 病 害 类 别 图 像 数 量 张 早 疫 病 花 叶 病 健 康 斑 枯 病 晚 疫 病 细 菌 性 斑 点 病 叶 霉 病 叶 螨 病 病 害 识 别 模 型 设 计 模 型 的 构 建 本 研 究 构 建 的 轻 量 级 网 络 模 型 的 结 构 如 图 显 示 该 模 型 包 括 全 局 特 征 提 取 子 网 络 和 关 键 特 征 提 取 子 模 块 个 部 分 通 过 一 系 列 卷 积 池 化 操 作 对 输 入 图 片 的 颜 色 纹 理 和 形 状 等 全 局 特 征 进 行 提 取 获 取 图 片 的 整 体 属 性 输 出 多 个 特 征 图 将 这 些 包 含 全 局 特 征 的 特 征 图 进 行 池 化 压 缩 得 到 通 道 维 度 的 信 息 描 述 符 捕 获 该 通 道 描 述 符 之 间 的 非 线 性 相 互 作 用 关 系 根 据 关 键 程 度 为 每 个 特 征 通 道 分 配 权 重 最 后 将 该 权 重 作 用 在 输 入 的 特 征 图 上 从 而 提 升 关 键 特 征 的 表 达 并 抑 制 不 相 关 特 征 实 现 对 关 键 特 征 的 精 准 提 取 组 成 模 块 全 局 特 征 提 取 子 网 络 原 网 络 模 型 中 包 含 个 模 块 网 络 层 数 和 参 数 量 均 较 多 运 算 时 间 长 综 合 考 虑 种 番 茄 病 害 图 片 数 量 的 适 合 度 同 时 避 免 过 拟 合 将 中 的 和 这 个 模 块 删 除 利 用 剩 余 的 模 块 构 建 子 网 络 子 网 络 由 个 模 块 个 卷 积 层 个 池 化 层 个 全 局 平 均 池 化 层 个 层 和 个 层 组 成 表 为 构 建 的 子 网 络 的 具 体 参 数 其 中 模 块 重 新 排 序 命 名 每 个 模 块 包 括 层 和 层 每 层 仅 由 或 大 小 的 卷 积 核 组 成 与 传 统 的 卷 积 层 相 比 该 方 法 将 网 络 模 型 的 参 数 量 减 少 了 其 结 构 如 图 显 示 个 卷 积 层 分 别 处 在 子 网 络 的 前 端 和 后 端 能 够 有 效 提 取 到 图 像 基 本 特 征 和 高 层 语 义 信 息 个 最 大 池 化 层 能 够 提 取 出 低 分 辨 率 强 语 义 信 息 的 特 征 图 用 全 局 平 均 池 化 层 代 替 全 连 接 层 可 以 有 效 减 少 网 络 模 型 的 计 算 复 杂 度 和 参 数 量 从 而 提 高 模 型 训 练 速 度 层 的 引 入 能 够 有 效 防 止 过 拟 合 利 用 函 数 计 算 出 每 个 类 别 的 概 率 输 出 预 测 结 果 关 键 特 征 提 取 子 模 块 本 研 究 引 入 关 键 特 征 提 取 子 模 块 实 现 与 全 局 网 络 模 块 的 有 效 结 合 同 时 能 够 对 特 征 的 重 要 程 度 进 行 评 估 获 取 权 重 值 强 化 病 害 关 键 特 征 的 表 达 结 合 注 意 力 机 制 的 包 括 个 全 局 平 均 池 化 层 个 全 连 接 层 个 激 活 函 数 和 个 矩 阵 乘 法 操 作 该 模 块 提 取 关 键 特 征 的 过 程 如 下 步 骤 获 取 通 道 描 述 符 从 子 网 络 卷 积 层 输 出 的 特 征 图 维 度 为 表 示 特 征 图 的 长 宽 通 道 数 将 其 输 入 到 中 首 先 经 过 全 局 平 均 池 化 层 对 大 小 为 的 特 征 图 上 的 所 有 值 进 行 求 和 取 平 均 值 每 个 通 道 的 输 出 值 用 表 示 运 算 公 式 如 下 胡 玲 艳 等 基 于 轻 量 级 网 络 自 适 应 特 征 提 取 的 番 茄 病 害 识 别 分 别 表 示 模 型 预 测 种 番 茄 叶 片 病 害 的 概 率 全 局 特 征 提 取 子 网 络 关 键 特 征 提 取 子 模 块 图 模 型 的 结 构 表 子 网 络 的 内 部 参 数 类 型 输 入 尺 寸 长 宽 通 道 数 步 长 滤 波 器 尺 寸 长 宽 输 出 尺 寸 长 宽 通 道 数 卷 积 层 池 化 层 模 块 模 块 池 化 层 模 块 模 块 池 化 层 层 卷 积 层 全 局 平 均 池 化 层 层 图 模 块 结 构 其 中 表 示 特 征 图 的 长 宽 通 道 数 表 示 特 征 图 上 像 素 的 位 置 索 引 表 示 特 征 图 上 的 值 为 每 个 通 道 的 输 出 值 个 通 道 的 总 输 出 值 为 则 步 骤 降 维 获 取 通 道 间 非 线 性 关 系 将 前 面 获 得 的 总 输 出 值 先 经 过 全 连 接 层 该 层 通 过 缩 放 因 子 将 通 道 数 从 降 低 到 减 少 计 算 量 然 后 再 利 用 激 活 函 数 获 取 通 道 之 间 的 非 线 性 关 系 运 算 公 式 如 下 其 中 表 示 全 连 接 层 的 权 重 参 数 矩 阵 维 度 为 表 示 转 置 为 特 征 图 经 过 全 局 平 均 池 化 的 结 果 维 度 为 为 输 出 值 维 度 为 为 通 道 数 为 缩 放 因 子 江 苏 农 业 学 报 年 第 卷 第 期步 骤 升 维 获 取 关 键 值 将 上 一 步 获 得 的 输 出 经 过 全 连 接 层 此 操 作 将 通 道 数 恢 复 到 原 始 数 量 然 后 通 过 函 数 进 一 步 捕 获 通 道 间 的 非 线 性 关 系 后 进 行 评 估 输 出 各 通 道 的 关 键 度 值 其 值 记 为 运 算 公 式 如 下 其 中 表 示 全 连 接 层 的 权 重 参 数 矩 阵 维 度 为 表 示 转 置 为 步 骤 的 输 出 值 表 示 关 键 度 值 为 包 含 个 数 值 的 标 量 且 的 数 值 大 小 代 表 对 应 通 道 关 键 程 度 的 高 低 步 骤 关 键 特 征 提 取 将 获 取 的 关 键 值 逐 通 道 加 权 到 先 前 的 特 征 图 上 即 将 每 个 特 征 图 分 别 与 相 乘 运 算 公 式 如 下 其 中 为 特 征 图 上 的 值 为 通 道 对 应 的 关 键 度 值 为 每 个 通 道 的 输 出 值 为 个 通 道 输 出 的 总 特 征 图 与 输 入 维 度 一 致 但 此 时 特 征 图 上 的 值 都 已 被 重 新 标 定 即 关 键 特 征 的 特 征 值 变 得 更 大 无 关 的 特 征 变 得 更 小 甚 至 被 抑 制 从 而 实 现 关 键 特 征 的 提 取 图 为 子 模 块 的 结 构 模 型 训 练 试 验 参 数 设 置 本 研 究 在 服 务 器 上 的 试 验 配 置 环 境 如 下 计 算 机 操 作 系 统 搭 载 处 理 器 内 存 显 卡 显 存 采 用 深 度 学 习 框 架 将 作 为 编 程 语 言 将 预 处 理 后 的 数 据 集 随 机 划 分 为 训 练 集 验 证 集 和 测 试 集 这 部 分 的 图 像 数 量 比 例 为 最 终 形 成 张 训 练 集 图 像 张 验 证 集 图 像 张 测 试 集 图 像 用 随 机 划 分 后 的 样 本 数 据 集 对 不 同 分 类 模 型 进 行 训 练 得 到 各 模 型 的 性 能 评 估 结 果 在 番 茄 叶 片 病 害 识 别 模 型 的 训 练 过 程 中 输 入 图 像 大 小 设 定 为 选 用 优 化 速 度 较 快 的 自 适 应 矩 阵 估 计 算 法 优 化 网 络 模 型 其 初 始 学 习 率 设 置 为 并 采 用 多 分 类 对 数 函 数 作 为 损 失 函 数 每 组 试 验 反 复 进 行 次 每 次 迭 代 次 试 验 中 训 练 集 和 验 证 集 的 批 次 大 小 均 设 置 为 测 试 集 的 批 次 大 小 为 关 键 特 征 提 取 子 模 块 表 示 特 征 图 的 长 宽 表 示 通 道 数 表 示 缩 放 因 子 表 示 特 征 图 经 过 全 局 平 均 池 化 后 的 输 出 表 示 经 过 函 数 得 到 的 非 线 性 关 系 输 出 表 示 关 键 度 值 图 子 模 块 的 结 构 中 的 缩 放 因 子 设 置 为 同 时 为 了 防 止 过 拟 合 设 置 正 则 化 系 数 为 试 验 选 用 的 评 价 指 标 有 个 分 别 为 准 确 率 模 型 大 小 和 识 别 速 度 准 确 率 定 义 为 被 正 确 分 类 的 病 害 图 像 数 量 与 总 病 害 图 像 数 量 之 比 模 型 大 小 与 参 数 量 有 关 在 训 练 过 程 中 使 用 函 数 记 录 网 络 模 型 的 参 数 量 识 别 速 度 为 进 行 单 张 图 片 测 试 时 所 需 的 时 间 试 验 方 案 设 计 为 了 更 全 面 地 验 证 正 形 机 制 的 作 用 以 及 模 型 的 性 能 选 取 模 型 作 为 对 比 模 型 其 中 模 型 直 接 从 官 方 应 用 网 站 下 载 其 他 分 类 模 型 均 在 本 研 究 搭 建 的 试 验 环 境 中 进 行 代 码 编 写 试 验 方 案 设 计 如 下 步 骤 准 备 个 数 据 集 将 包 含 任 意 朝 向 叶 片 的 原 始 数 据 集 标 志 为 经 过 正 形 机 制 处 理 后 的 数 据 集 标 志 为 比 较 种 神 经 网 络 模 型 胡 玲 艳 等 基 于 轻 量 级 网 络 自 适 应 特 征 提 取 的 番 茄 病 害 识 别 在 种 数 据 集 上 的 准 确 率 和 鲁 棒 性 验 证 正 形 机 制 操 作 处 理 后 的 数 据 集 对 模 型 性 能 的 影 响 步 骤 确 定 模 型 中 所 包 含 的 模 块 数 量 并 对 比 模 型 加 入 关 键 特 征 提 取 模 块 前 后 各 性 能 指 标 的 变 化 情 况 验 证 该 模 块 加 入 的 必 要 性 步 骤 将 模 型 与 其 他 模 型 进 行 对 比 从 准 确 率 模 型 大 小 识 别 速 度 鲁 棒 性 以 及 稳 定 性 等 多 个 维 度 进 行 试 验 验 证 所 提 出 模 型 的 综 合 性 能 结 果 与 分 析 正 形 机 制 对 不 同 模 型 识 别 性 能 的 影 响 图 展 示 了 不 同 分 类 模 型 在 种 数 据 集 上 得 到 的 试 验 结 果 可 以 看 出 与 数 据 集 相 比 模 型 在 数 据 集 上 表 现 出 更 优 的 性 能 且 各 模 型 的 准 确 率 均 提 升 了 左 右 这 可 能 是 因 为 卷 积 神 经 网 络 具 备 学 习 能 力 在 训 练 的 过 程 中 可 以 根 据 损 失 函 数 不 断 更 新 参 数 而 朝 向 统 一 的 图 片 能 够 进 一 步 加 深 网 络 模 型 的 理 解 和 记 忆 有 助 于 模 型 快 速 细 致 地 学 习 到 目 标 特 征 得 到 更 优 的 一 组 权 重 参 数 从 而 使 模 型 获 得 更 高 的 准 确 率 图 不 同 模 型 在 种 数 据 集 下 的 准 确 率 为 了 进 一 步 探 究 正 形 机 制 对 模 型 鲁 棒 性 的 影 响 分 别 在 数 据 集 上 添 加 同 等 的 高 斯 噪 声 图 显 示 在 个 数 据 集 中 添 加 高 斯 噪 声 后 各 个 模 型 的 准 确 率 均 出 现 不 同 程 度 的 下 降 每 个 模 型 在 数 据 集 上 的 准 确 率 下 降 幅 度 均 高 于 在 数 据 集 上 的 下 降 幅 度 不 难 分 析 出 由 于 数 据 集 经 过 正 形 机 制 处 理 几 乎 所 有 叶 片 都 位 于 图 片 的 中 心 位 置 而 病 害 特 征 也 会 局 限 在 这 个 区 域 内 因 此 根 据 这 些 同 向 的 叶 片 神 经 网 络 模 型 将 提 取 到 更 多 相 关 的 重 叠 的 特 征 可 以 在 一 定 程 度 上 缓 解 噪 声 环 境 的 干 扰 综 上 可 以 得 出 对 数 据 进 行 正 形 机 制 处 理 有 助 于 提 高 模 型 的 准 确 率 和 鲁 棒 性 因 此 后 续 研 究 均 采 用 数 据 集 进 行 试 验 图 种 数 据 集 的 测 试 集 中 加 入 相 同 噪 声 时 不 同 模 型 的 准 确 率 下 降 幅 度 模 型 的 综 合 性 能 模 块 个 数 对 模 型 的 影 响 结 合 本 研 究 所 采 用 数 据 集 中 的 图 片 数 量 为 了 防 止 过 拟 合 相 应 删 减 了 原 网 络 模 型 中 的 模 块 为 了 确 定 最 佳 的 模 块 数 量 分 别 将 含 有 个 个 和 个 模 块 所 对 应 的 模 型 在 数 据 集 上 进 行 试 验 表 显 示 种 模 型 识 别 单 张 图 片 所 用 的 时 间 差 距 极 其 微 小 说 明 三 者 检 测 速 度 相 当 当 模 型 中 的 模 块 个 数 为 时 此 时 占 用 内 存 最 少 准 确 率 也 最 低 与 模 块 个 数 为 时 的 模 型 相 比 模 块 个 数 为 时 模 型 大 小 仅 增 加 同 时 准 确 率 增 加 个 百 分 点 以 上 与 模 块 个 数 为 时 的 模 型 相 比 模 块 个 数 为 时 模 型 准 确 率 几 乎 没 有 增 大 但 模 型 大 小 却 增 加 了 通 过 上 述 结 果 不 难 分 析 出 模 块 个 数 过 多 不 仅 没 有 明 显 提 升 准 确 率 还 可 能 增 加 存 储 负 担 若 数 量 过 少 虽 占 用 内 存 较 少 但 不 利 于 对 特 征 进 行 完 全 细 致 的 提 取 从 而 使 得 准 确 率 较 低 因 此 为 了 保 证 设 计 的 模 型 在 准 确 率 占 用 内 存 方 面 均 具 备 较 好 的 表 现 最 终 在 模 型 中 保 留 个 模 块 此 时 模 型 的 综 合 性 能 更 佳 关 键 特 征 提 取 模 块 对 模 型 的 影 响 为 了 验 证 关 键 特 征 提 取 模 块 对 网 络 模 型 性 能 的 影 响 在 江 苏 农 业 学 报 年 第 卷 第 期数 据 集 上 对 模 型 和 去 掉 模 块 的 模 型 进 行 训 练 将 后 者 命 名 为 模 型 结 果 表 表 明 与 模 型 相 比 模 型 准 确 率 略 高 模 型 略 小 识 别 速 度 略 快 但 二 者 均 处 于 同 一 数 量 级 差 别 甚 微 因 此 都 能 满 足 小 型 化 快 速 精 准 识 别 的 要 求 然 而 当 在 的 测 试 集 中 添 加 不 同 级 别 的 高 斯 噪 声 时 模 型 的 准 确 率 骤 降 且 下 降 的 幅 度 分 别 高 达 个 百 分 点 个 百 分 点 几 乎 很 难 精 准 地 识 别 病 害 而 模 型 的 准 确 率 降 低 幅 度 均 不 超 过 仍 能 保 持 以 上 的 识 别 准 确 率 这 是 因 为 模 型 中 包 含 的 关 键 特 征 提 取 模 块 能 够 抓 住 主 要 的 关 键 的 特 征 忽 略 其 他 不 重 要 的 特 征 或 者 干 扰 源 从 而 具 有 较 好 的 鲁 棒 性 在 评 估 模 型 性 能 时 准 确 率 模 型 大 小 固 然 重 要 但 鲁 棒 性 同 样 必 不 可 少 否 则 模 型 仅 仅 是 在 实 验 室 中 的 识 别 效 果 好 一 旦 应 用 到 复 杂 的 实 际 农 业 环 境 中 性 能 将 大 打 折 扣 无 法 满 足 现 实 需 求 因 此 从 准 确 率 模 型 大 小 和 鲁 棒 性 个 维 度 综 合 考 虑 在 本 研 究 提 出 的 模 型 中 加 入 模 块 是 很 有 必 要 的 表 模 块 个 数 对 模 型 性 能 的 影 响 模 块 个 数 准 确 率 模 型 大 小 识 别 单 张 图 片 耗 时 表 种 模 型 的 性 能 对 比 模 型 和 数 据 集 包 含 的 噪 声 等 级 准 确 率 模 型 大 小 单 张 图 片 耗 时 模 型 模 型 模 型 模 型 去 掉 模 块 的 模 型 模 型 的 准 确 率 和 模 型 大 小 本 研 究 基 于 数 据 集 比 较 种 分 类 模 型 对 番 茄 种 病 害 图 像 识 别 的 准 确 率 模 型 大 小 和 识 别 单 张 图 片 所 用 时 间 表 显 示 模 型 的 准 确 率 为 远 远 高 于 传 统 分 类 算 法 模 型 和 与 经 典 神 经 网 络 模 型 相 比 虽 然 单 张 图 片 识 别 耗 时 略 久 但 在 准 确 率 和 模 型 大 小 个 方 面 表 现 较 好 模 型 与 种 常 见 的 轻 量 级 网 络 模 型 相 比 单 张 图 片 识 别 耗 时 相 当 但 模 型 仅 占 内 存 需 求 更 小 且 准 确 率 更 高 识 别 性 能 更 好 在 番 茄 识 别 的 实 际 应 用 中 准 确 率 和 模 型 大 小 是 更 为 重 要 的 性 能 指 标 因 此 综 合 考 虑 模 型 的 性 能 和 可 移 植 性 网 络 模 型 具 有 一 定 的 应 用 优 势 表 不 同 模 型 之 间 的 性 能 比 较 模 型 种 类 模 型 名 称 准 确 率 模 型 大 小 单 张 图 片 耗 时 传 统 分 类 算 法 经 典 神 经 网 络 轻 量 级 网 络 模 型 的 稳 定 性 和 鲁 棒 性 本 研 究 分 析 了 这 种神 经 网 络 模 型 在 轮 迭 代 过 程 中 的 准 确 率 损 失 函 数 变 化 情况 其 中 模 型 只 迭 代 了 轮 因 为 轮 以 后 出 现 验 证 集 准 确 率 上 升 而 损 失 值 不 降 反 增 的 现 象 模 型 发 生 过 拟 合 图 显 示 模 型 和 模 型 在 训 练 初 期 均 能 快 速 达 到 较 高 的 准 确 率 但 在 迭 代 过 程 中 发 生 明 显 抖 动 且 抖 动 持 续 时 间 较 长 模 型 稳 定 性 较 低 模 型 虽 然 上 升 比 较 平 稳 但 准 确 率 明 显 低 于 其 他 种 模 型 对 于 模 型 虽 然 初 始 迭 代 时 准 确 率 上 升 相 对 缓 慢 也 有 几 次 抖 动 但 随 着 迭 代 次 数 的 增 加 模 型 准 确 率 呈 平 稳 上 升 趋 势 在 整 个 后 期 训 练 中 只 有 微 小 的 浮 动 且 最 终 的 准 确 率 高 于 其 他 种 模 型 损 失 值 最 小 因 此 模 型 具 有 较 好 的 稳 定 性 图 显 示 随 着 高 斯 噪 声 等 级 的 增 加 各 个 模 型 的 准 确 率 都 有 所 降 低 除 模 型 外 模 型 模 型 模 型 的 准 确 率 均 出 现 大 幅 骤 降 当 噪 声 等 级 增 加 到 时 这 个 模 型 的 准 确 率 均 低 于 此 时 这 些 模 型 无 法 正 常 完 成 病 害 识 别 任 务 而 对 于 模 型 在 同 胡 玲 艳 等 基 于 轻 量 级 网 络 自 适 应 特 征 提 取 的 番 茄 病 害 识 别样 的 强 噪 声 干 扰 下 准 确 率 仍 能 达 到 可 以 准 确 识 别 出 番 茄 病 害 数 据 集 约 的 图 片 说 明 模 型 在 噪 声 干 扰 的 环 境 中 仍 然 具 备 良 好 的 识 别 性 能 准 确 率 虽 有 降 低 但 在 可 接 受 范 围 内 具 有 较 好 的 鲁 棒 性 图 不 同 模 型 在 验 证 集 上 的 准 确 率 损 失 函 数 变 化 图 各 模 型 在 包 含 不 同 等 级 高 斯 噪 声 的 测 试 集 上 的 准 确 率 分 析 模 型 在 数 据 集 测 试 集 上 的 混 淆 矩 阵 图 横 向 数 据 表 示 标 签 值 纵 向 数 据 表 示 预 测 值 对 角 线 上 的 深 色 区 域 内 数 据 表 示 预 测 正 确 的 个 数 分 别 表 示 番 茄 早 疫 病 健 康 晚 疫 病 叶 霉 病 花 叶 病 斑 枯 病 细 菌 性 斑 点 病 叶 螨 病 对 应 的 预 测 准 确 率 分 别 为 本 研 究 构 建 模 型 对 早 疫 病 的 识 别 能